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微型燃氣輪機走向商業化
摘要：對MTG（Microturbine-generator）--微型燃氣輪機發電機的發展作一個簡要的回顧，介紹MTG的主要特點，并列出幾個有代表性產品的技術參數，供國內同行參考。關鍵詞：回熱循環；燃氣輪機
中圖分類號：TK479+.11文獻標識碼：D文章編號：1009一2889（2000）04一0013一04
1回熱器與高速發電機的發展為微型燃氣輪機帶來了生機
長期以來，幾十至幾百kW的小型發電機組市場，一直由內燃發電機組占領，燃氣輪機幾乎沒有立足之地。原因是小功率燃氣輪機單循環的效率比較低，無法與內燃機相匹敵。而且，小功率燃氣輪機轉速高，通常需要采用齒輪減速器降速后與發電機相連，笨重的減速器和低速發電機，把燃氣輪機結構輕巧的特點給抵消了。人們早就認識到可以采用回熱循環來提高效率，但是常規回熱器的體積與重量比燃氣輪機本身還要大，而緊湊式的回熱器制造成本很高，所以，除了個別燃氣輪機（如KG3）有帶回熱器的衍生型外，回熱循環的地面應用始終打不開局面。隨著美英聯合開發艦用回熱中冷燃氣輪機的成功進展，板翅式回熱器在工藝及制造成本方面的突破，高速發電機從軍用走向民用，地面用的帶回熱器的小功率燃氣輪機重新引起人們的重視。
MTG大都采用回熱循環。通常它由透平、壓氣機、燃燒室、回熱器、發電機及電子控制部分組成，從壓氣機出來的高壓空氣先在回熱器內接受透平排氣的預熱，然后進入燃燒室與燃料混合、燃燒。大多數MTG由燃氣輪機直接驅動內置式高速發電機，發電機與壓氣機、透平同軸，轉速在50000～120000rpm之間。一些單軸MTG設計，發電機發出高頻交流電，轉換成高壓直流電后，再轉換為60Hz480V的交流電。
2分布式發電市場前景看好
MTG運動部件少，結構簡單緊湊，因而其可靠性好、制造成本與維護成本低。為了進入市場，制造商給自己定下的最低指標是：
·運動部件壽命40000小時；
·熱耗12000至16000Btu／kWh（12660至16880kJ／kwh）；
·污染物排放小于9ppm；
·安裝與維護簡單，而且便宜。
MTG的潛在市場是很大的，只要它具有相當的競爭力。采用增壓器技術生產MTG，成本可以大大降低，特別是用鑄造技術代替機械切削工藝，經濟性尤其顯著。MTG適合用于分布式發電，使電站更靠近用戶。分布式發電與中心電站相比，可靠性更好。制造商們相信，一旦達到適當的批量，MTG有能力與中心發電廠相匹敵。對終端用戶來說，與其它小型發電裝置相比，MTG是一種更好的環保型發電裝置。
可以設想，MTG將是未來公用事業的基本構成之一。將來與中心電廠平行運行的是許許多多小型發電裝置。就像計算機似的，在大型機周圍有著大量的微型機和局域網在同時運行。
3開發與應用情況
目前，開發微型透平的廠商主要集中在北美，歐洲有瑞典和英國。
Capstone-Capstone公司90年代初開始開發微型透平發電機元件，1994年研制成24kW樣機，1996年生產了37臺樣機供現場試驗。該發動機為單軸結構，空氣軸承支撐，轉速為96000轉／分。整個發動機安置在一個圓柱形的排氣殼內，10米外的噪音60dB，用天然氣燃料時，氧化氮排放為9ppm，一氧化碳排放為25ppm。1997年30kW樣機進行現場試驗，此后又推出60kW發電機組和45kW車用機組，幾年后將生產125～250kw機組。Capstone估計微型透平安裝成本不超過15000美元（每kW500美元）。發電成本每kWh4.5～5美分。
圖1Capstone30kWe微型透平
Capstone公司宣稱，它已與Meidensha和Sumitomo兩家日本公司達成協議，在日本銷售Capstone的微型透平，并成套為電熱聯產裝置。兩家日本公司還負責售后服務，在日本建立一個維修網。Capstone還將許可證轉讓給日本的Takuma公司，Takuma除了進行系統集成和分銷外，還將Capstone330微型透平成套為電熱聯產裝置，名為TakumaTCP30，用燃氣輪機排氣生產熱水。
美國丹佛附近的一個油田，正準備安裝一套能源回收裝置，利用Captsone微型透平將未經處理的井口廢氣轉化為電。
Ingersoll一Rand能源系統公司現在獨立生產和銷售PowerWorks系列微型透平。
PowerWorks系列的功率范圍是30～200kW。這一項目始于80年代初，是由NREC的能源系統業務部主持開發的，并得到南加州煤氣公司、紐約煤氣集團及煤氣研究所（GRI）的支持和合作。他們以增壓器元件為基礎，使燃氣輪機的價格能與活塞發動機相匹敵。他們采用純徑流、雙軸結構，動力透平軸與燃氣發生器軸互相垂直布置。壓氣機壓比3：1。動力透平驅動發電機（通過減速器）或Rl34a制冷劑壓縮機，后者用于制冷系統。燃燒室為單管、貧預混結構，用天然氣作燃料時NO。排放低于5ppm，滿足南加州苛刻的排放標準。PowerWorks裝置配備NREC逆流、板翅式回熱器，以提高效率。燃燒室與回熱器是NREC的專利設計。NREC在回熱器技術方面有新的突破，應用于20kW～20MW的燃氣輪機發動機上，回熱度可達90％。常規板翅式回熱器上出現的疲勞問題已經克服，初成本和壽命周期成本都具有相當的競爭力。據稱，他們是唯一解決了回熱器泄漏問題的公司。1999年投入小批量生產。PowerWorks可加裝余熱鍋爐組成電熱聯產機組，提供200（的熱水或蒸汽。機組電效率超過30％，熱電總效率超過80％。
powerWorks應用于住宅發電、采暖／通風／空調、制冷等領域。NREC將市場瞄準煤氣與電力部門、分布式電熱聯產用戶，并將與能源服務公司（ESCOs）分享市場。空調與制冷方面的市場將通過與美國、日本及歐洲的HVACOEMs達成銷售與配套協議來開拓。
AlliedSignal公司1998年底開始生產75kWe微型透平發電機。叫做TurbOGenerator，1999年開始批量生產，成本預計在22500到30000美元之間（每kw300～400美元）。他們力求開發三種類型的微型透平發電機，分別應用于家庭、商業和工業。
AlliedSignal75kW樣機參數如下：
單軸回熱空氣軸承回熱度85％～90％不銹鋼回熱器壓比3．8：1透平前溫900℃轉速85000rpm發電機永磁、高速變頻器變頻（1200Hz-50HZ／60Hz）尺寸1524mmX914mmX1828mm（長寬高）效率30％（HHV）排放NO＜25ppm噪聲65dB（10米）燃料汽油、柴油、天然氣、石腦油、沼氣、丙烷或合成氣
Ellioii一Ellioti能源公司共開發了3種微型透平，功率分別為45kW，80kW和200kW。
E111oiiEnergyTA-45的參數為：
單軸回熱液體潤滑軸承24V電起動功率45kW運行溫度-40～＋50℃排氣溫度704℃（無回熱）316℃（（帶回熱）轉速116000rpm輸出電壓120／208／240VAC尺寸1676mmX762mmX914mm重量136kg效率30％（LHV）排放NO＜9ppm（天然氣燃料）燃料柴油、天然氣、沼氣、丙烷、汽油、煤油、酒精
GeneraIElectricPowerSvstems與DlionttC0．簽署了一項備忘錄，為ElliottEnergySystemsd、燃機開拓市場，起先為30～200kW，最大功率計劃為500kW。
BowmanPowerSvstemsLtd是1994年建立的一家英國公司，公司地址在南安普頓，專門從事微型透平發電機開發，他們將Elliott的微型透平發電機成套后銷售歐洲市場。高速發電機與調節控制系統由Bowman公司設計和制造。1999年開始投放45、60、80和200kWe機組。下一步將功率范圍擴展到500kWe。
瑞典的微型透平一TurbecAB是1998年在瑞典成立的一家生產微型透平的公司，ABB和Volvo各擁有50％的股份。Volvo70年代開始開發車用燃氣輪機。1992年研制成功的40kw微型透平裝在Volvo。的概念車上，此后又研制了用于貨車和大轎車上的100kW機組。1997年Volvo通過市場調查發現了微型透平發電機組在分布式發電和電熱聯產的應用前景，但Volvo對這一市場并不熟悉，所以它選擇ABB作為合作伙伴。Turbec的第一個產品是100kW機組（VT100），其原始樣機是已經試驗過的車用燃氣輪機。該機組有9000小時的運行記錄，首臺產品計劃2000年內提供給用戶。正在開發的下一個機型是40kw機組。
圖2裝備Elliott核心機的Bowman微型透平
瑞典開發高速發電（HSG）始于1986年。1993年，HSGI作由發展走向商業化，成立了HSG發展公司，Vattenfal1、ABB和Volvo均擁有該公司的股份。接著在瑞典的高神伯格建立了一個MTG示范工廠，該工廠1997年開始運行。將進行5年（1997-2002）的評估。在5年內，希望積累25000～30000小時的運行經驗。
該工廠在供熱幾季節（9月至4月）每年連續運行5000小時。燃料為北海油田供應的天然氣。第一階段的運行表明，機組的性能比預期的要好。
全負荷運行特性：
空氣流量（Nm3／s）
0.25
空氣進氣溫度（℃）
15
轉速（rpm）
90000
壓比
4：1
透平進口溫度（℃）
910
透平出口溫度（℃）
625
燃料氣溫度（℃）
245
熱輸出（kwth）
70
電輸出（kwe）
38
發電效率（％）
28
總效率（％）
80
供熱回水溫度（℃）
55
供熱供水溫度（℃）
70
全負荷工況污染物排放測量值：
一氧化碳8mg／MJ燃料
氧化氮14mgNO2／MJ燃料
碳氫化合物4.5myMJ燃料
Pratt已whitnevCanada-pratt＆whitnev
Canada（加拿大普惠）的市場研究表明，未來5～10年內分布式發電的市場將有增長。于是提出了一個發展新一代燃氣輪機發動機族ST5的技術驗證計劃，用于分布式發電。新一代發動機吸取加拿大普惠最新航空發動機PW6XX的技術，執行這一計劃的目的是降低運行成本，同時保持具有加拿大普惠同類發動機的可靠性和耐久性。ST5發動機族的功率范圍是250～600kw，公司將其歸于微型透平一類，但比目前微型透平制造商提供的微型透平功率略大。對加拿大普惠來說這是一個新的起點，通常加拿大普惠先開發航空用的發動機，一旦發動機通過驗證，然后發展其工業用的衍生型。這一次，加拿大普惠研發的發動機同時考慮航空及工業兩方面的應用前景。新發動機有簡單循環與回熱循環兩種類型，既可用于尖端負荷，也可用于基本負荷。發動機將吸取普惠早先高性能小型燃氣輪機的試驗。
4可靠性測試
要使MTG進入市場，它必須在發電質量、可靠性、可用度、環境可接受性、經濟性等方面完全滿足用戶的要求。為此美國政府和工業部門正在執行一個計劃，由電力研究所（EPRI）牽頭，將各家生產的MTG，在同一試驗場地安裝、運行和試驗，評定它們的技術與經濟性能。性能測試包括以下內容：起動／停機；機組總效率；純輸出功率；運行能力；排放；發電質量；耐久性；運行與維護要求等。
這一試驗計劃，將對各種機組在安裝、性能、維護要求等方面提出有價值的定性與定量的評價。試驗數據取自在加州伊兒文（lrvine）試驗現場的實際運行結果。然后通過數據采集系統和人工整理，修正為標準的運行特性。現場每隔5分鐘采集一次原始數據，由各種傳感器將脈沖或模擬信號送到數據處理器，每天晚上采集數據，每個月處理一次。
每一臺MTG都在固定的部位安裝了各種傳感器。采集運行數據的同時，整個現場的環境參數也被記錄下來。測量數據包括：發電量kWh；燃料消耗量；燃料溫度；燃料壓力；瞬時發電品質（諧波畸變）；環境溫度；相對溫度以及大氣壓力。如果MTG帶余熱鍋爐，同時測量水流量、煙氣出口溫度及水溫等參數。
試驗分三個階段進行：安裝與啟動；運行與維護；性能測試。機組安裝完畢以后，首先試驗其起動與停機能力。機組應具備承受每天起動與停機帶來的磨損的能力。
機械性能試驗包括內容：
·耐久性各種MTG在基本負荷作長時間運行。每天都記錄運行參數，如燃料流量，環境空氣的壓力、溫度與相對濕度，發電量（kwh），運行溫度和壓力等。
·瞬時響應MTG必須能對負荷的變化及時作出響應。所有機組都井網運行，而不是孤立運行，系統負荷的變化反映在網上。MTG機組的負荷改變是通過控制系統人為設定的。
·諧波崎變發電輸出由BMI或其它同類記錄
儀測量總的諧波畸變（THD）。在耐久試驗中，BMI也用來確定全負荷機組的功率因數。測量功率因數的目的是要證實，機組在井網情況下是否達到額定輸出。
·噪聲測量用手持噪聲儀測量噪聲。測量噪聲時每個機組都單獨運行。
·排放測量指南海岸地區空氣質量管理條例：考察每個MTG，判定其NO，排放是否符合標準。此外還用手持儀器進行周期性測量，以確定運行中噪聲的趨勢，并考察是否有惡化。
·尖峰負荷用BMI儀或相當的功率測量記錄儀器，進行尖峰負荷的發電功率與純功率測量。對了不帶燃料壓縮機或燃料壓縮機由外電源驅動的右組，純功率輸出是由發電功率扣除為維持MTG行消耗的外電源能量得到。這一試驗得到諸如效蕩熱耗、運行小時等特性，這些數據可以用來與制造廠制定的性能規格進行比較。
列入美國政府和工業部門實驗計劃的機組
供
應商
電功率（KW）
燃料
軸承（潤滑）
透平類型
發電機類型
Allied
Signal
75
天然氣
空氣
單級徑流高頻
Bowman/Elliott
45,80,200
天然氣
液體
單級徑流
高頻
Capstone
30
天然氣
空氣
單級徑流
高頻
GE/Elliott
45,80,200
天然氣
液體
單級徑流
高頻
NREC（樣機）
70
天然氣，柴油，丙烷
液體
單級徑流+動力透平
感應（齒輪減速）
5待解決的問題
如果當前的技術都能通過驗證，下一步要解決的是應用的問題，如發電質量問題，用作備用機組的問題等等。試驗計劃中規定的下一個步驟是現場試驗，考察MTG在實際應用中是否能達到預期的效血。
從長遠考慮，將MTG與其它技術（如燃料電池）結合起來，構成組合式發電裝置可能是很有前途的新發展。與燃料電池結合，MTG就不需要燃燒室了，而MTG可以給燃料電池提供壓縮空氣。MTG與燃料電池的組合式發電，效率可望高達60％，NO。小于1．0ppm，SO。幾平測不出來。
我國有關部門也開始注視MTG市場。中科院工程熱物理研究所已開始進行60kWe移動式燃氣輪機發電機組商業化的前期工作，擬用高速發電機取代中頻發電機，開發高效低成本回熱器。希望在不久的將來有國產的MTG占領我國尚未發育成熟的分布式發電商場。
參考文獻：（略）
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